2013传感器与检测技术复习.docVIP

传感器与检测技术课程复习分析频响常用正弦分析瞬时常用阶跃动态测量输入信号规律性的随机性的 周期性的 非周期性的非平稳随机过程平稳的随机过程 正弦周期输入 复杂周期输入 阶跃输入 线性变化输入 其它变化输入各态历经过程非各态历经过程传感器在检测系统中有什么作用和地位？什么是敏感元件？什么是传感器？1 特性1.1什么是传感器的静特性？有哪些主要指标？线性度、迟滞、重复性、灵敏度、静态误差、分辨力与阀值等的概念和计算。1.2什么是传感器的动特性？动特性：传递函数和动态响应的物理概念。1.3传感器的静特性的用途是什么？ 传感器的基本概念 一、传感器的定义及构成 传感器(Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 通常传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成。其中敏感元件(Sensing element)是指传感器中能直接感受被测量的部分；转换元件(Transition element)是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。基本转换电路:将转换元件输出的电量转换成便于显示、记录和处理的电量输出。 二、传感器的分类 1.按输入量（被测量量）的类型分类 2.按输出信号的类型进行分类 模拟式传感器； 数字式传感器 3.按能量关系进行分类（有源、无源） 有源传感器（能量转换型传感器） 无源传感器（能量控制型传感器） 三、传感器的数学模型 1.静态模型 在静态信号(输入信号不随时间变化)的作用下，输出量Y与输入量X间的关系。(忽略蠕动、迟滞)一般可用多项式表示。 y = a0+a1x + a2x2 + a3x3 + a0 零位输出 a1 线性灵敏度 a2 an 非线性系数 2. 动态模型 在动态信号(输入信号随时间变化)的作用下，输出量Y与输入量X间的关系。可以用 微分方程 或 系统函数 (传递函数 )来描述。 一阶传感器 传递函数 -可用拉普拉斯变换表示系统的系统函数(S )。 四、传感器的基本特性 1. 静态特性 线性度 实际的输出 输入曲线与拟合曲线(工作曲线)间最大偏差的相对值 即为线性度。 灵敏度 Sn Sn 的定义是传感器输出的变化量 与引起该变化量的输入变化量 之比即为其静态灵敏度。 重复性 重复性 指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。 迟滞现象（回差） 回差反映了传感器的输入量在正向行程和反向行程全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不重合程度。 分辨率（xmin ） 在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入量的最小变化值。 稳定性 传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。 漂移 传感器在外界的干扰下，输出量发生了与输入量无关的变化，主要有“零点漂移”和“灵敏度漂移”，这两种漂移又可分为“时间漂移 零点或灵敏度随时间而发生缓慢的变化”和“温度漂移 零点或灵敏度随环境温度的变化而改变”。 2. 动态特性 频率响应 传感器的频率响应是指各种频率不同而幅值相同的正弦信号输入时，其输出的正弦信号的幅值、相位(与输入量间的相差）与频率之间的关系。即幅频特性和相频特性。 分析切入点：系统的传递函数。 阶跃响应 给原来处于静态状态传感器输入阶跃信号，在不太长的一段时间内，传感器的输出特性即为其阶跃响应特性。 一阶传感器的阶跃响应特性 二阶传感器的阶跃响应特性 工作原理、转换电路、主要特性参数计算。说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？直流电桥、电桥的非线性。应变片产生误差的原因是什么？如何减少或补偿温度误差？1.1 应变式电阻式传感器 电阻应变效应是指电阻丝在外力作用下，发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象基于这种原理制成的传感器有金属应变片式和半导体应变片式两种。 电阻应变片的主要参数有几何尺寸，初始值电阻R0 和允许工作电流，且应变片的初始电阻值R0有120、200、350、600、1000等类型，其中最常的有120和350。当现场环境温度改变时，会引起应变片电阻的附加变化量，该变形给测量带来附加误差（即应变片的温度误差）。产品该误差的原因是电阻丝温度系数的存在和电阻丝线膨胀系数不同。 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和自动补偿两大类。其中最常的是电桥补偿法，它是将工作应变片和补偿应变片接到电桥的两个桥臂，利用它们对电桥输出电压，平衡原理，而起到温度补偿作用。通常采用的半桥差动电路或全桥差动电路，桥路不存在非线性误差，而且电压灵敏度也比单臂桥时高，同时还能起到温度补偿作用，但应清楚完全补偿的条件。一、应变效应的理论基础 1金属导体的电阻定律 2材料的泊松比 dL/L、dA/A 在力的作用下的相互关系 3金属材料应变电阻效应 4半导体材料的压阻效应 二、电阻应变片的结构及工作方式 1 基本结构 2 分类 (按敏感栅的结构特点和构成材料进行分类) 3 工作方式 (工作原理)： 应变片是用来测量试件表面的应变的。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。 三、电阻应变片应变电阻的测量 1直流电桥法： 电压灵敏度SV 非线性误差 2非线性误差的补偿方法 差动电桥法 a半桥差动电路 纯线性，灵敏度提高了一倍。 b全桥差动电路 恒流源供电法 a 恒流源供电电桥 b 双恒流源电路 1.1.2B 应变式电阻传感器的应用 一、力（荷重）传感器 1. 柱式力传感器（柱的截面积为A） 2 .梁式荷重传感器（特点：可以使用差动电桥测量应变） 等截面梁式荷重传感器 等应力（等胁强）梁式荷重传感器 二、应变式加速度传感器（二阶传感器的典型例子） 基本原理：F = m a 。 动态特性 三、应变式压力（压强）传感器 薄板式(膜片式)压力传感器 根据薄板形变(应变)与压强的关系来测量压强，(应变片测薄板应变) 筒式应变压力传感器 性能特点：可用于高压测量。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。 四、固态压力传感器(压阻效应)，特点：集成电路工艺生产 受压圆膜的应力分布/应变分析特点。 3电感式传感器自感式位移传感器是一种基于电磁感应原理，将被测量（位移）变化转换为自感L或互感M参数变化的部件。即称电感式传感器或变磁阻式传感器。该传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器常用来测量位移、尺寸、振动、力、压力、转矩、应变、流量及比重等非电量。其基本构成是由铁芯、线圈和衔铁三部分组成。3.1电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理是什么？磁路欧姆定律：，式中称磁感阻，nI为磁通势。 则3.1 变磁阻（自感）式传感器 一、结构及工作原理 二、输出特性 具有非线性的输出特性。 三、差动自感传感器(非线性补偿) 3.2 互感式传感器 在自感式传感器中不能太大，否则漏磁的影响将使输出性能严重劣化。所以大位移测量时常采用互感式传感器。 一、结构、工作原理及等效电路 二、测量电路： 1.差动整流器； 2.相敏检波电路 3.3 电涡流式传感器4电容式传感器 电容式压力传感器是种将被测量尺寸，压力的变化转换成电容量变化的部件（即可变电容器），其定义为C=s/d。按其工作原理，电容式传感器可分为变间隙式，变截面式和变介电常数式三种类型，其中第一种常用于测量微小线位移；第二种常用于测量角位移或较大的线位移；第三种常用于测量固体或液体的物位。 电容式传感器的初始电容很小，因此在使用中的最关键问题是分布电容的影响极为严重，这不仅会造成传输效率降低，灵敏度变差而且会产生很大的测量误差。由于电容式传感器动极板移动过程中无摩擦，机械损耗小以及两极板间静电引力小等原因，故该传感器几手没有零漂。 电容式传感器配用的测量电路很多，常用的有交流电桥、紧耦合电桥电路、脉冲电路运算放大电路等。 一、 电容式传感器的结构和工作原理 二、变极距型电容式传感器（平行板电容器式） 三、变极板面积形电容传感器 1.角位移传感器 2.同心圆筒形线位移电容式传感器 四、动介质型电容式位移传感器 五、电容式传感器的输出特性 变极距型电容式传感器仅在d/d 较小时呈近似线性关系，存在一定的非线性误差。 六、 电容式传感器的信号变换电路 差动脉宽调制电路、运算放大电路 七、 电容式传感器的应用 1. 电容式压力传感器； 2. 电容式物位传感器（物位计）工作原理、转换电路、计算。推导差动式电容传感器的灵敏度，并与单极式相比较。根据电容式传感器的工作原理说明它的分类，电容传感器能够测量哪些物理参量？电容传感器的转换电路及信号调制电路。总结电容式传感器的优缺点，主要应用场合及使用中应注意的问题。简述电容式传感器用差动脉冲调宽电路的工作原理。五、磁电式传感器磁电感应式速度传感器是一种利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势的原理，实现振动、速度、扭矩等动态参数测量。变磁通式、恒定磁通式按运动性质分为直线运动磁电传感器和旋转运动磁电传感器。前者定义为e=NBlv；其灵敏度K=e/v=NBL；后者定义为e=NBSW，其灵敏度则为K=e/w=NBS。 提高磁电感应式传感器灵敏K值应考虑几个因素。一是线圈直流电阻R与负载电阻RL的匹配问题，一般要求R=RL；二是线圈发热问题，要求满足S0I2RSn；及温度影响问题，要求采用热磁分路对磁通量进行补偿和线圈采用温度系数小的金属导体。 磁电式速度传感器可用相对速度和绝对速度来表示。目前工程界最常用，性能价格比高的速度测量传感器有磁敏电阻测速传感器和霍尔齿轮测速传感器。它们的共同特点是：一、被测对象为运动着的铁磁材料。（齿轮、齿条、凸轮等）；二、输出信号为脉冲信号。具有安装方便，配用检测电路简单，测量精度高等优点而被广泛应用。磁电式传感器与电感式传感器有哪些不同？磁电式传感器主要用于测量哪些物理参数？霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？什么温度补偿的方法有哪几种？简述霍尔效应及构成以及霍尔传感器可能用的场合。5.2 霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。 一、霍尔效应 霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。 霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。霍尔元件灵敏度KH与霍尔元件的厚度 d 成反比。 霍尔元件的霍尔效应是置于磁场中的静止截流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势的现象，其数学定义式为UH=RHIB/d =KHIB/d。 霍尔元件外部有两对电极，一对用来施加激励电压或电流，叫控制电极；另一对用来引出霍尔电势，叫霍尔电极。霍尔元件是采用半导体材料制成的，因而其有关的量和参数都随温度的变化而变化，使用时，霍尔式传感器有温度误差。减少温度误差的措施用恒流源供电；减少由于输入电阻引起的误差起的误差。 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，实际应用中需要对它进行补偿。若将霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，则不等位电势相当于电桥的初始不平衡输出电压，因而所有能使电桥达到平衡的方法均可用于不等位电势的补偿。 霍尔式传感器基本上由两部分组成，一是弹性元件，另一是霍尔元件和磁路系统。要求霍尔元件所使用的气隙磁场具有均匀梯度。二、霍尔元件的主要技术参数 1额定功耗P0 霍尔元件在环境温度T25时，允许通过霍尔元件的控制电流I和工作电压V的乘积即为额定功耗。一般可分为最小、典型、最大三档，单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流I。有些产品提供额定控制电流和电压，不给出额定功耗。 2输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为。可以在无磁场即B0时，用欧姆表等测量。 3不平衡电势U0 在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻r0。 4霍尔电势温度系数 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数，单位为1。 三、霍尔元件连接方式和输出电路 1基本测量电路 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把I与B的乘积、或者I，或者B作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。 2霍尔电势的输出电路 霍尔器件是一种四端器件，其输出一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器 四、霍尔元件的测量误差和补偿方法 1零位误差及补偿方法 零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。不平衡电势U0是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。 2温度误差及其补偿 (1)利用输出回路并联电阻进行补偿 (2)利用输入回路的串联电阻进行补偿 六、压电式传感器 压电式传感器的基本原理是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，进行实现对压力的测量。常用的压电元件有石英晶体和压电陶瓷多晶体。石英晶体和压电陶瓷多晶体具有正、逆压电效应，利用它们的正压电效应制成了电势型传感器。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器，其灵敏度较高，但石英晶体的稳定性是其它压电材料无法比的。 压电元件是一个内阻很大的信号源，它可以等效为一个电荷源和一个电容并联。测量中要求其配接放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗。 压电式压力传感器配接的放大电路有电压放大器和电荷放大器等，其中电荷放大器是一个利用电容负反馈的高放大倍数的运算放大器，其输出电压只与压电元件产生的电荷和反馈电容有关，而与配接电缆分布电容无关，使用时应注意压电式传感器不能测量频率太低的被测量，更不能测量静态量。 6.1 压电效应和压电材料 一、物质的压电效应 二、压电材料的压电常数 1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵 2.压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵 6.2 压电传感器的等效电路和测量电路 一、等效电路 由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。 二、测量电路及系统等效电路分析 1. 系统等效电路: 压电元件是一种换能器件，属有源传感器，它在系统中有两种等效形式： 电压源 U，与其等效电容Ce串联； 电荷源 q ，与其等效电容Ce并联。 2.测量电路（变换电路、前置电路） 前置变换电路的必要性 高内阻，须作阻抗变换。 输出功率小，分布参数及干扰影响大。 可以用电压、电荷放大器作为前置变换电路：从电压源 U等效的观点看可以使用电压放大器；从电荷源q 等效的观点看可以使用电荷放大器。 电压放大器(阻抗变换器) Ui 不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如CC等有关。 电荷放大器（电荷源等效） 与连接电缆等分布参数如CC等无关。 6.3 压电传感器的应用 压电元件在传感器技术中最广泛的应用领域是声波（超声波）换能器和压电式加速度传感器。特点是高频响应好，低频响应要差些。 压电式什么是压电效应？压电材料有哪几种？压电传感器的结构和应用特点是什么？能否用压电传感器测静态压力？为什么压电传感器通常都用来测量动态或瞬态参量？什么是压电效应？试比较石英晶体和压电陶瓷是压电效应。七、光电式传感器外光电效应和内光电效应是光学量测量的物理基础，一、外光电效应及其器件 真空光电管、光电倍增管 真空光电管的伏安特性 二、内光电效应原理制成的器件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、电荷耦合器和光电耦合器等。其中光电耦合器在测控电路中广泛使用。 1光敏电阻 光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它基于半导体光电导效应工作。由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大。 2光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管反向电流与光照有关。 光敏三极管 可看成是光敏二极管与普通三极管的组合，对光电流有放大作用。 3. 光电池 硒光电池和硅光电池 三、光电器件的光谱特性、伏安特性、（调制）频率特性什么是光电效应？光纤损耗是如何产生的？它对光纤传感器有哪些影响？光导纤维为什么能够导光？光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤的主要优点有那些？光栅式传感器的特点及分类。八、温度测量传感器（热电式） 电阻式温度传感器 电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度而变化的物理现象（热电阻效率）制成的传感器。 电阻式温度传感器按使用材料分主要有金属热电阻和半导体热电阻两大类。 金属导体和半导体的显著差别在于金属的电阻率随温度升高而增加，而半导体的电阻率随温度的升高而下降。 工业中大量使用的电阻体材料为铂、铜和镍三种，对它们的共同要求是电阻温度系数大且为定值；电阻率大且化学及物理性能稳定和工艺性好。工业和计量部门常用的热电阻为铂热电阻和铜热电阻。 两种铂热电阻初始电阻值分别为R0=10和R0=100，它们对应的分度号分别为Pt10和Pt100，其规定的使用温度范围为（-200850）；而两种铜热电阻初始电阻值R0=50和R0=100，它们对应的分度号分别为Cu50和Cu100，其规定的使用温度范围为（-50150）。 用热电阻测温时，经常使用直流电桥测量电路，热电阻与测量电路的接线方法有二线制、三线制和四线制，工业测量一般使用二线制和三线制。电桥测量电路后接的信号放大电路多数采用差动集成运算放大器以满足系统对幅值的要求。 热电阻按其温度系数的不同可分为电阻温度系数为正值的金属热电阻，一般称热电阻；电阻温度系数为负值的半导体热电阻，一般称热敏电阻。 热敏电阻的阻值与温度的关系称热电特性，它近似符合指数函数的规律。 热电偶温度传感器 热电偶 一、热电效应 赛贝克（Seebeck）效应(热电势)温差电现象 关于温差热电势的物理解释： 接触电势 珀耳帖（Peltier）电势与 温差电势 汤姆逊（Thomoson）电势之和。 结果讨论： 1 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。 2 组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。 3由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度T0恒定时，产生的热电势在一定的温度范围内仅是热端温度 T 的单值函数。 二、热电偶的基本定律 1.中间导体定律 将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端）断开而接入的三种导体C后，只要冷、热端的T0 、T 保持不变，则回路的总热电势不变。 2.参考电极定律（标准电极定律） 如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的。设结点温度为T、T0，则用导体A、B组成的热电偶产生的热电势等于导体A、C组成的热电偶和导体C、B组成的热电偶产生的热电势的代数和。热电偶是用两种不同的金属组成闭合回路而成。当两个接触点处于不同温度时，闭合回路中便产生热电势。热电势的大小仅与材料的性质和接触点的温度有关，故由接触电势和温差电势两部分组成。 热电偶有两个热电极。测温时，置于被测温度场中的接点称热端，置于恒定温度场中的接点称冷端。 由A、B导体组成的热电偶，当引入第三导体C时，只要接入的导体两端温度相同，则C导体的接入对回路热电势数值无影响，这就是中间导体定律。 热电偶分度表均在参比端为0条件下给出，在实际使用中，热电偶的冷端处理方法有0恒温法，计算修正法，冷端延长法及电桥补偿法等。其中计算修正法热电偶冷端温度保持在某一温度tn条件下，热端温度为t时，测得热电偶的热电势是E（t,tn）,用分度表先查出E（tn ,0）,则计算E（t, 0）= E（t,tn）+ E（